DE2431832B2 - Kathodenzerstäubungsgerät - Google Patents

Description

F i g. 6 ist eine Aufsicht längs der Linie 6-6 der F i g. 5.

Fig.7 ist ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform längs der Linie 7-7 der F i g. 9.

F i g. 8 ist eine Aufsicht einer anderen Ausführungsform, die den gleichen Querschnitt wie die Ausführungsform der F i g. 6, nämlich den in der F i g. 5 dargestellten Querschnitt hat

Fig.9 zeigt eine Aufsicht auf die Ausführungsform der F ig. 7.

Fig. 10 ist ein Teilquerschnitt einer Abwandlung ι ο einer geeigneten Kathode.

F i g. 11 ist ein Teilquerschnitt einer Abwandlung der Magneteinrichtung.

Fig. 12 ist ein Axialschnitt durch eine weitere Kathodenausbildung.

Fig. 13 und 14 sind perspektivische Darstellungen der Ausführungsformen der F i g. 9 bzw. 16, wobei deren magnetische Felder im einzelnen dargestellt sind.

Fig. 15 ist ein Teilquerschnitt einer weiteren Kathodenausbildung.

Fig. 16 ist ein Querschnitt längs der Linie 16-16 der Fig. 14.

F i g. 17 ist ein Teilquerschnitt einer anderen Abwandlung der Fig. 1.

Fig. 18 ist eine perspektivische Darstellung einer >■> wiederum anderen Ausführungsform.

Fig. 19 ist ein Querschnitt einer Abwandlung der in F i g. 9 dargestellten Vorrichtung.

F i g. 20 ist ein Querschnitt einer anderen geeigneten Form der Magneteinrichtung. j< >

Die F i g. 1 zeigt ein KathodenzerstäubungsgersK 20, das in einer evakuierbaren Kammer 21 eingeschlossen ist. Die Kammer hat einen oberen Teil 22 und einen unteren Teil 23, die über eine Dichtung 24 miteinander verbunden sind, wie es schematisch dargestellt ist. r>

Im oberen Teil 22 ist eine öffnung 25 vorgesehen, die durch eine Abdeckplatte 26, die auch als Stütze für das Kathodenzerstäubungsgerät 20 dient, verschlossen wird. Die Platte 26 kann, wenn es erwünscht ist, aus einem isolierenden Werkstoff bestehen. Eine Halterung 27 dient zum Halten einer Grundplatte 28, deren obere Fläche 29 mit Hilfe dieses Gerätes beschichtet werden soll. Eine Vakuumpumpe 30 dient zum Evakuieren der Kammer auf den erwünschten Druck. Wenn es erwünscht sein sollte, kann durch die Leitung 31, welche durch ein Ventil 32 gesteuert wird, Gas in die Kammer eingebracht werden.

Die Abdeckplatte 26 dient, wie erwähnt, als Stütze für das Zerstäubungsgerät 20 und ist selbst an die innere Oberfläche 35 der Kammer über einen Dichtungsring 36 angelegt und mittels Befestigungsmitteln 37 festgehalten. Eine metallene Anode 38 wird von der Platte 26 getragen. Ein Dichtungsring 39 umgibt eine leitende Stange 40, von der die Anode 38 gehalten wird. Die Stange 40 dient als Anschluß der Anode 38 und an einen Pol einer Spannungsquelle. In dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel hat die Anode 38 das gleiche Potential wie die Kammer 2. Die Stange 40 kann auch gegenüber der \bdeckplatte 26, dort wo sie durch diese hindurchgeht, durch eine Isolierscheibe isoliert sein. Das an die Stange 40 gelegte Anodenpotential kann dann von dem der Kammer 21 verschieden sein.

Durch eine Kühleinrichtung 42 in Form eines Metallrohres wird ein Kühlmittel geführt. Das Metallrohr dient auch als Leiter, um eine Kathode 55 mit einer b5 elektrischen Spannungsquelle zu verbinden. Das Metallrohr der Kühleinrichtung 42 ist zweimal durch die Abdeckplatte 26 hindurchgeführt, und zwar einmal zum Zuführen und das zweite Mal zum Wegführen des Kühlmittels, sowie mit einem ersten Einsatzstück 45 durch eine Lötstelle 44 dicht verbunden. Ein zweites Einsatzstück 46 ist dem ersten gegenüber angeordnet, und beide werden durch Schrauben 47 aufeinander zu gezogen. Ein isolierendes Abstandstück 48 ist unter dem zweiten Ensatzstück 46 eingepaßt, und eine Abdichtplatte 49 befindet sich zwischen dem ersten Einsatzstück 45 und der Abdeckplatte 26. An der Abdichtplatte 49 befindet sich ein Paar von Dichtungsringen 50, 51. Auf diese Weise bilden die Einsatzstücke 45, 46, das Abstandstück 48 und die Abdichtplatte 49 einen luftdicht abgeschlossenen Durchgang für das Metallrohr der Kühleinrichtung 4Z

Bei dieser Ausführungsform wird die Kathode 55 durch einen geraden kreisförmigen Zylinder mit einer Mittelachse 57 gebildet Die Kathode 55 hat eine zylindrische wirksame Oberfläche 56 aus dem zu zerstäubenden Material und eine zylindrische Rückseite 58. Die wirksame Oberfläche 56 ist konkav gekrümmt

Ein Kathodenhalter 59 umgibt die Kathode 55 und hat eine innere Wand 60, die mit der Rückseite 58 der Kathode 15 in unmittelbarer Oberflächenberührung steht. In der Außenwand 61 des Kathodenhalters 59 ist eine Nut 62 eingelassen, in welcher das Rohr der Kühleinrichtung 42 so angeordnet ist, daß es mit dem Kathodenhalter 59 in wärmeleitender Verbindung steht. Das durch das Rohr hindurchfließende Kühlmittel kühlt den Kathodenhalter 59 und dadurch die Kathode 55. Das Rohr steht auch in unmittelbarem elektrisch leitendem Kontakt mit dem Kathodenhalter 59, so daß das Kathodenpotential wegen der Leitfähigkeit des Kathodenhalters 59 an die Kathode 55 gelangt

Eine Magneteinrichtung 65 umgibt die Kathode 55 und den Kathodenhalter 59. Bei der Ausführungsform der F i g. 1 besteht diese Magneteinrichtung 65 aus einer Vielzahl von Permamentmagneten 66, von denen ein jeder ein Paar von ihm eigenen Magnetpolen 67 und 68 (Nord- und Südpol), hat. Da alle Magnete untereinander gleich sind, wird nur einer beschrieben. Die oberen Pole in F i g. 1 haben untereinander gleiche Polarität, und die unteren Pole haben die dazu entgegengesetzte Polarität. Die Magnete sind im wesentlichen ohne Unterbrechung um die Kathode 55 herum verteilt, so daß ein magnetisches Feld innerhalb der Kathode gebildet wird. Das magnetische Feld soll an besonderen Stellen bestehen und eine besondere Form haben. Hierzu sind magnetische Polschuhe 69 und 70 vorgesehen, die als die Pole der Magneteinrichtung 65 wirken. Die magnetischen Polschuhe 69 und 70 sind magnetisierbar Ringe, die mit dem oberen Teil bzw. dem unteren Teil der Magnete 66 verbunden sind und durch Stützen 71 zusammengehalten werden. Die gleichen Stützen 71 dienen zum Halten der Kathodenbaugruppe im Abstand von der Abdeckplatte 26. Die Polschuhe 69 und 70 stellen Fortsetzungen der Magnete 66 dar und sind die Pole der Magneteinrichtung 65. Jeder Polschuh 69 bzw. 70 hat eine von dem anderen unterschiedliche Polarität. Die Polschuhe 69 und 70 fassen den Kathodenhalter 59 ein. Wenigstens einer und bei der vorliegenden Ausführungsform beide der Polschuhe 69 und 70 sind mit ihrer Längsrichtung wie die wirksame Oberfläche 56 der Kathode 55 orientiert, so daß sie sich unmittelbar anschließend an die Fläche 72 der Kathode 55 erstrecken, das heißt längs deren Rückseite 58, die der wirksamen Oberfläche 56 abgewandt ist.

Man sieht, daß die Magnete 66, die Polschuhe 69 und 70 der Kathodenhalter 59 und die Kathode 55

gegeneinandergedrückt sind, wodurch sie miteinander elektrisch leitend verbunden sind und zueinander in guter Wärmeleitung stehen. Wenn die Kathode 55 erhitzt wird und der Kathodenhalter 59 gekühlt wird, dehnt sich die Kathode 55 zu einer festeren Passung -, innerhalb der Anordnung aus.

Durch die Magneteinrichtung 65 werden Kraftlinien 75 gebildet. Diese treten aus der wirksamen Oberfläche 56 der Kathode 55 jeweils an einer Austrittsstelle 77 aus und art einer von dieser im Abstand liegenden _Ml Wiedereintrittsstelle 76 in die wirksame Oberfläche 56 wieder ein.

Jede Kraftlinie 75 hat einen gekrümmten Abschnitt 78, der von der wirksamen Oberfläche 56 der Kathode 55 einen Abstand hat. Zusammen mit der Oberfläche 56 ι υ bilden die Abschnitte 78 einen tunnelartigen Bereich 79. Es ist selbstverständlich, daß es eine unendliche Anzahl von Kraftlinien 75 durch jede axiale Ebene gibt. Ihre Krümmungen und daher auch die von ihnen begrenzten tunnelartigen Bereiche können verschieden sein. Da wenigstens einer der Polschuhe ausgedehnt ist, bildet der tunnelartige Bereich 79 eine Bahn, in der geladene Teilchen gehalten werden und längs der sie sich bewegen. Bei dieser Ausführungsform ist der tunnelartige Bereich 79 in sich selbst geschlossen und bildet eine 2·> durchgehende Bahn ohne Anfang und Ende. Geometrisch gesehen stelli hier der gesamte tunnelartige Bereich ein Rotationsvolumen mit der Mittelachse 57 dar.

Die Verwendung der Polschuhe 69, 70 konzentriert jo die Austrittsstellen 77 der Kraftlinien 75 bzw. deren Wiedereintrittsstellen 76 in bandförmigen Umfangsbereichen in Höhe der Polschuhe 69, 70. Da das magnetische Feld über den Umfang im wesentlichen kontinuierlich ist, erhält der tunnelartige Bereich 79 j-, Ringform mit der Eigenschaft geladene Teilchen zu fangen und ihr Entfernen zu verhüten. Statt dessen wird bewirkt daß die geladenen Teilchen an der Innenseite des tunnelartigen Bereiches 79 unmittelbar anschließend an die wirksame Oberfläche 56 der Kathode 55 hemmwirbeln, wodurch der Wirkungsgrad des Zerstäubens erhöht wird.

Die F i g. 1 zeigt einen Aufbau, in welchem das Kathodenzerstäubungsgerät 20 vollkommen in der evakuierbaren Kammer 21 enthalten ist Die Abdeckplatte 26 ist im wesentlichen auf gleicher Höhe mit einer Kammerwand angeordnet Die Fig.3 zeigt dagegen eine Ausgestaltung, bei der das Kathodenzerstäubungsgerät 85, welches im wesentlichen dem der F i g. 1 nachgebildet ist an der Außenseite einer evakuierbaren Kammer 86 abgestützt wird und oberhalb einer zu beschichtenden Grundplatte 87 angeordnet ist Die Kathode ist zwischen Dichtungsplatten 88 und 89 angeordnet die mit geeigneten Dichtungsringen 90, 91, 92 und 93 versehen sind. Durch eine Abschlußplatte 34 und Schrauben 95 wird die übereinandergeschichtete Anordnung zusammengedrückt

Die Anode 38 ist durch die Abschlußplatte 94 hindurchgeführt in gleicher Weise, wie sie durch die Abdeckplatte 26 der F i g. 1 hindurchgeht Abgesehen vom Unterschied in einer Konstruktionseinzelheit und von der Tatsache, daß die Kathodenhaltening selbst einen Teil der Einschließung der evakuierbaren Kammer 86 bildet sind die Vorrichtungen der Fig. 1 und 3 im wesentlichen gleich. Die Platte 94 kann aus Isoliermaterial hergestellt oder aber die Stange, an der die Anode 38 befestigt ist gegenüber der Platte 94 isoliert sein, wenn das Anodenpotential von dem der Einschließung der Kammer 86 verschieden sein soll.

Die F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform, die sich von der der Fig. 1 in gewissen Einzelheiten unterscheidet. Eine Anode 100 befindet sich auf dem gleichen Potential wie die Einschließung der evakuierbaren Kammer 1Oi und ist fest mit ihr verbunden. Die Befestigungselemente, die die Anode 100 an der Kammer 101 halten, dienen auch der elektrischen Verbindung. In diesem Fall ist eine Anpassungsplatte 102 verwendet, um die Anode 1Ö0 und eine Kathode 104 zu halten. Ein Isolierstück 103 dient zum Aufrechterhalten des Potentialunterschiedes zwischen Kathode 104 und Anode 100.

Die Kathode 104 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer inneren Hülse mit einer wirksamen Oberfläche 104a aus zu zerstäubendem Material. Sie liegt in einem Ring 105, der seinerseits dicht in den Kathodenhalter (ähnlich dem Kathodenhalter 59 der Fig. 1) paßt. Der Ring 105 hat einen Flansch 106, der an die Magneteinrichtung 65 anschließt, wenn der Ring 105 eingesetzt ist. Ein magnetisierbarer Ring 107 ist auf den Flansch 106 aufgezogen und hält, im Zusammenwirken mit den Magneten der Magneteinrichtung 65, den Ring 105 an seiner Stelle. Die Kathode 104 kann daher ohne weiteres entfernt und in dem sie haltenden Ring 105 ausgetauscht werden. Eine neue Kathode 104 kann ohne Schwierigkeiten in den Ring 105 eingepaßt werden. Die Einpassung ist eng genug, so daß die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt sind, was sogar der Fall ist wenn die einzelnen Teile kalt sind. Wenn sich die Kathode 104 im Bereich erhitzt, dehnt sie sich aus und stellt eine bessere Passung in bezug auf den Kathodenhalter her.

Eine ringförmige Abschirmung 108 ist unmittelbar unter dem unteren Ende der Kathode 104 angeordnet, die die Kathode 104 vor geladenen Streuteilchen schützt Dadurch wird das Ende der Kathode 104 vor Zerstörung geschützt Die Abschirmung 108 kann über eine leitende Verbindung 108a auf Anodenpctential gehalten werden und ist über eine nichtdargestellte Einrichtung mechanisch abgestützt Der bisher beschriebenen Zerstäubungsgeräte sind ringförmig ausgebildet und die wirksamen Oberflächen der Kathoden bilden konkave Flächen, z. B. gerade Kreiszylinder, obgleich es natürlich möglich ist daß schräge Oberflächen und ähnliche Flächen ebenso verwendet werden. In der Fig. 12 ist eine kegelstumpfförmige Kathode 19 dargestellt die mit einem entsprechend ausgebildeten Kathodenhalter verwendet werden kann. Eine wirtschaftliche Verwendung des bei dieser Konstruktion erzeugten Lichtes liegt vor, wenn konkave Oberflächen verwendet werden, weil alle Abschnitte der wirksamen Oberfläche der Kathode dem Licht eines anderen Bereiches der wirksamen Oberfläche ausgesetzt sind und dieses Licht zur Photoemission von Elektronen verwendet wird.

Die F i g. 5—9,13,14,18 und 19 zeigen, daß das Gerät nicht notwendigerweise kreisförmig sein muß, sondern daß es auch gerade oder anders gekrümmt ausgebildet sein kann.

Die F i g. 5 und 6 zeigen ein Zerstäubungsgerät 110 mit einer geradlinigen Kathode 117. Es ist vorgesehen, daß diese Vorrichtung in einer evakuierbaren Kammer während des Zerstäubungsvorganges enthalten ist um eine Grundplatte 111, die in geeigneter Weise innerhalb der Kammer gehalten wird, zu beschichten. Die Vorrichtung kann in jeder beliebigen Lage arbeiten. Die dargestellte Vorrichtung ist so angeordnet daß das zerstäubte Material sich nicht nach unten bewegen

kann, sondern im wesentlichen nach oben, um die untere Oberfläche 112 der Grundplatte zu beschichten. Eine Anode 113 ist in der Form eines flachen Streifens, der parallel zu der Kathodenrichtung verläuft, vorgesehen und mit leitenden Anschlüssen 114 zum Anlegen einer elektrischen Spannung ausgestattet. Wie bei den anderen Ausführungsformen dient eine metallene Leitung als Kühleinrichtung 115 zum Führen eines Kühlungsmittels und zusammen mit einer Leitung 116 zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die m Kathode 117.

Die Kathode 117 aus Metall hat eine wirksame Oberfläche 118 aus dem zu zerstäubenden Material. Die Rückseite 119 der Kathode 117 steht in unmittelbarer Verbindung mit dem Kathodenhalter 120. Der Katho- η denhalter 120 wird von einem Paar von magnetischen Polschuhen 121 und 122 sowie einem Permanentmagneten, die zusammen eine Magneteinrichtung 123 bilden, eingefaßt. Die Polschuhe 121 und 122 erstrecken sich der Länge nach im wesentlichen über die gesamte Länge der Vorrichtung, ebenso wie der Magnet. Die Polschuhe haben entgegengesetzte magnetische Polarität.

Seitliche Halteelemente 124 und 125 bilden zusammen eine Halterung 124, 125, die die erwähnten ?■-, Elemente zusammenklemmt. Anschläge 127 und 128 begrenzen Kanäle, in welche die Kathode 117 eingeschoben oder eingerastet werden kann. Die Kathode ist, wenn sie eingebaut ist, vorzugsweise zu einer Regelfläche, etwa in dem Beispiel gezeigt, zu einer «, Zylinderausschnittfläche, gekrümmt. Die Kathode 117 erstreckt sich parallel zur geraden Achse 129. In gleicher Weise erstreckt sich die Magneteinrichtung 123 hinter der Kathode 117 und erzeugt magnetische Kraftlinien 130, die aus der wirksamen Oberfläche 118 der Kathode ^

117 jeweils an einer Austrittsstelle 132 aus- und an einer Wiedereintrittsstelle 131 in die wirksame Oberfläche

118 wiedereintreten. Die Kraftlinien 130 weisen gebogene Abschnitte 133 auf, wodurch, zusammen mit der wirksamen Oberfläche 118 der Kathode 117, ein tunnelartiger Bereich gebildet wird.

Die in den Fig. 5-9, 13, 14, 18 und 19 dargestellten Vorrichtungen haben Kathoden, deren wirksame Oberflächen sich nach einer Richtung öffnen, die der Rückseite der jeweiligen Kathode abgewandt ist, das heißt der Seite der Kathode, die an den Kathodenhalter anschließt. Damit soll ausgedrückt werden, daß sich die Kathoden dieser Beispiele nicht zu einem Ring schließen und daß kein Teil der wirksamen Oberfläche einer Kathode direkt auf einen anderen gerichtet ist. Statt dessen weist die wirksame Oberfläche der Kathode in eine Hauptrichtung (in F i g. 5 nach oben), und es besteht keine Möglichkeit, daß zerstäubtes Material nach unten geschleudert wird. Dies steht im Gegensatz zu den Beispielen der F i g. 1 —4, in denen die wirksame Oberfläche der Kathode sich selbst gegenüberliegt Das zerstäubte Material kann hier sowohl nach oben als auch nach unten wandern. Nebenbei wird er wähnt, daß das ausgeschleuderte Material das von einem Teil der Kathodenoberfläche der F i g. 1 lediglich «> zu einem anderen Teil geht eine Verminderung des Wirkungsgrades des Zerstäubungsvorganges darstellt Ein solcher Vorgang kann im Beispiel der F i g. 5 nur in einem sehr engen Winkelbereich auftreten.

In den F i g. 7,8, 9,13 und 14 wird das gleiche Prinzip wie das der F i g. 6 mit der Ausnahme verwendet, daß der von den magnetischen Kraftlinien gebildete tunnelartige Bereich in sich selbst geschlossen ist und weder Anfang noch Ende hat. Im Beispiel der F i g. 6 hat dieser Bereich einen Anfang und ein Ende und weist einen Nachteil auf, der weiter unten erläutert werden soll.

Die Fig. 7, 9 und 13 zeigen ein Kathodenzerstäubungsgerät 134, das im wesentlichen dem der Fig. 5 entspricht. Es sind jedoch zwei tunnelartige Bereiche 152 und 153 vorgesehen. Bei dieser Anordnung wird die Kathode 135 durch Seitenplatten 136 und 137 gegen drei Polschuhe 138, 139, 140 und einen aus zwei Teilen bestehenden Kathodenhalter 141, 142 gehalten. Eine Anode 143, die der Anode 113 (Fig. 5) ähnlich ist, ist vorgesehen. Ein leitendes Metallrohr als Kühleinrichtung 144 führt durch beide Kathodenhalterteile 141 und 1*2, um das elektrische Potential anzulegen und die Kathode zu kühlen. Permanentmagnete sind mit magnetisch entgegengesetzter Polarität so zu einer Magneteinrichtung 145,146 angeordnet, daß die beiden äußeren Polschuhe 138,140 die gleiche Polarität haben, und der mittlere Polschuh 139 eine dazu entgegengesetzte Polarität hat. Es sind zwei Bereiche von magnetischen Kraftlinien 147, 148 vorhanden, die aus der wirksamen Oberfläche 149 der Kathode 135 aus- und an einer davon im Abstand liegenden Stelle wiedereintreten, wobei bogenförmige Abschnitte 150 und 151 entstehen. Diese bilden die zwei tunnelartigen Bereiche 152 und 153, die über die Länge der geradlinigen Vorrichtung laufen. Bei dieser Anordnung bewegen sich die geladenen Teilchen in den tunnelartigen Bereichen 152 und 153 in entgegengesetzter Richtung. Wenn die Bauweise der Fig.7 verwendet wird, um nur einen geradlinigen Bereich zu bilden, wie er in der Fig.6 dargestellt ist, können die Magnete gleichgerichtet angeordnet sein, so daß die Polarität der äußeren Polschuhe 138 und 140 voneinander verschieden und die Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen in beiden tunnelartigen Bereichen 152, 153 die gleiche ist.

Die Ausführungsform der Fig.6 hat den Nachteil, daß ihr tunnelartiger Bereich einen Anfang und ein Ende hat und daß die geladenen Teilchen aus dem Ende herausgeschleudert werden. Da es einen Anfangsbereich gibt, wird das Zerstäuben erst nach einer bestimmten anfänglichen Länge des Bereiches auftreten, und ein Teil der Vorrichtung trägt zur Erzeugung von zerstäubtem Material nicht bei.

Die Vorrichtungen der Fig. 7, 8, 9, 13, 14, 18 und 19 verhindern diesen Nachteil. In Fig. 8 ist ein Kathodenzerstäubungsgerät 155 mit einer »rennbahnartig« ausgebildeten Kathode dargestellt. Ein seitlicher Querschnitt, der irgendwo senkrecht zu dem tunnelartigen Bereich genommen ist entspricht im wesentlichen dem in der F i g. 5 dargestellten. Es handelt sich einfach um die gerade Vorrichtung der Fig.5, die in eine Form gebogen wurde, so daß der tunnelartige Bereich 156 in sich selbst geschlossen ist so daß es weder einen Anfang noch ein Ende gibt. Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Ausführungsform der F i g. 7 wird darauf hingewiesen, daß durch Verbinden der Enden der Bereiche 152 und 153 ein durchgehender ovaler Bereich gebildet werden kann. Dies ist möglich, da die geladenen Teilchen in den Bereichen 152 und 153 eine entgegengesetzte Laufrichtung haben. Die Bildung des Ovals kann ohne Schwierigkeiten dadurch bewerkstelligt werden, daß man gemäß F i g. 9 halbkreisförmige Endstücke 157 und 158 vorsieht Diese Endstücke enthalten eine Fortsetzung der Magneteinrichtung 145, 146 mit den Magneten, den äußeren Seitenplatter. 136,137 und den

äußeren Polschuhen 138, 140, jedoch ohne die Fortsetzung des inneren Polschuhes 139. Dadurch soll ein schalenförmiger Kathodenhalter und eine ebensolche Kathode geschaffen werden, die als Teil einer durchgehenden, ovalen Bauweise um den Polschuh 139 als Zentrum gebildet sind. Der tunnelartigc Bereich 159 der geladenen Teilchen verläuft dann, wie in den F i g. 9 und 13 dargestellt ist. Der äußere Polschuh in Fig. 13 und 14 kann als Umfangs-Polschuh bezeichnet werden.

Die schalenförmige Kathode kann als ein mittlerer, gerader Bereich mit halbkreisförmigen Abschnitten an jedem Ende ausgebildet sein. Sie kann aber auch aus einem einzigen Stück hergestellt sein, wobei die Seitenplatten aus zwei Stücken bestehen, die durch entfernbare Schrauben 159a, 159ö(Fig. 7) zusammengehalten werden, um das Entfernen und Austauschen der Kathode nach Abheben der Seitenplatten 136, 137 mit den oberen Anschlägen zu ermöglichen.

Die F i g. 10 zeigt, daß eine wirksame Oberfläche 174 in ebener Form auch funktionsfähig ist, wobei die bevorzugte Ausführungsform der Kathode jedoch eine konkave wirksame Oberfläche hat, um den größtmöglichen Gebrauch des Glimmlichtes zu machen. Bei einer ebenen Oberfläche ist der Wirkungsgrad geringer, da der Beitrag des Glimmlichtes gering ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist ein Kathodenzerstäubungsgerät 165 mit Seitenplatten 166,167 versehen, die ein Paar Polschuhe 168, 169, einen Permanentmagneten 170 und einen Kathodenhalter 171 einschließen. Magnetische Kraftlinien 172 werden erzeugt und bilden einen tunnelartigen Bereich 173 mit der wirksamen Oberfläche 174 der Kathode. Diese Ausgestaltung kann in einem Kreis oder einem Oval, wie bei den anderen Ausführungsformen gezeigt ist, verwendet werden, wobei sie entsprechend abgeändert werden muß, damit eine ebene Oberfläche erhalten werden kann.

Gemäß F i g. 11 ist in einem Kathodenzerstäubungsgerät 175 der Permanentmagnet durch einen Elektromagnet 176 ersetzt. Die Fig. 11 kann als ein seitlicher Querschnitt der F i g. 1 oder einer der anderen Ausführungsformen betrachtet werden, wobei der dort vorgesehene Permanentmagnet durch einen Elektromagnet ersetzt ist. Um die am günstigsten geformten magnetischen Kraftlinien 177 für diese Vorrichtung zu bilden, sollte der Elektromagnet mit einem ausreichenden Abstand von der Kathode angeordnet sein, damit Unregelmäßigkeiten des Feldes, die durch die Windungen 178 entstehen, nicht die Form des Feldes innerhalb der Kathode beeinflussen.

Die Fig. 12 zeigt eine kegelstumpf artige Kathode 109, die mit einer angemessenen Abänderung der Halterung verwendet werden kann. Verglichen mit den Vorrichtungen der F i g. 1 und 4 wird durch diese Kathodenform die Konzentration des nach unten zerstäubten Materiales verbessert

Die Fig. 15 zeigt eine Ausführungsform, die im allgemeinen der der Fi g. 10 entspricht Es handelt sich um ein Kathodenzerstäubungsgerät 180 mit einer Kathode 181, die eine konvexe wirksame Oberfläche 182 hat Kraftlinien 183 werden erzeugt, um einen tunnelartigen Bereich zu bilden. Die Hinweise bei der Beschreibung zu Fig. 10, soweit sie die nicht konkave Form der Kathode und die Nützlichkeit einer Abänderung betreffen, gelten auch hier.

Die Fig. 14 und 16 zeigen ein Kathodenzerstäubungsgerät 210 mit einer ringförmigen Kathode 216. Das Gerät hat einen mittleren magnetischen Polschuh 211, der als Säule ausgebildet ist einen äußeren, umlaufenden Polschuh 212 in der Form eines Zylinders, und einen ringförmigen Magneten 213 zwischen beiden, der so magnetisiert ist, daß ein Pol anschließend an jeden Polschuh 211 bzw. 212 entsteht. Zwischen den Polschuhen 211 und 212 befindet sich ein ringförmiger Kathodenhalter 214. Er weist eine Kühleinrichtung 215 in Form eines leitenden Metallrohrs auf, das auch dazu dient, ein Potential an die Kathode 216 zu legen. Die Kathode 216 wird von einem Anschlag 217 in einer Halterung 218 gehalten, die den Aufbau umgibt. Magnetische Kraftlinien 219 werden erzeugt und bilden einen kreisförmigen tunnelartigen Bereich 220 mit den bereits beschriebenen Eigenschaften. Die Kraftlinien 219 treten aus der wirksamen Oberfläche der Kathode 216 jeweils an einer Austrittsstelle 222 aus und an einer Wiedereintrittssteiie 221 in die wirksame Oberfläche wieder ein, wobei sie jeweils einen gebogenen Abschnitt 223 aufweisen. Eine ringförmige Anode 224 (diese ist nur in Fig. 16 dargestellt) ist benachbart zur Kathode 216 angeordnet und hat einen nicht dargestellten Anschluß für das Anodenpotential.

Das bei den Vorrichtungen Fig. 1 — 16 verwendete Material zum Zerstäuben wird normalerweise nichtmagnetisches Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Gold, sein. Es ist jedoch auch möglich, isolierendes Material und sogar magnetisches Material zu zerstäuben. Eine Abwandlung, die das Zerstäuben von magnetischem Material möglich macht, ist in der Fig. 17 dargestellt. Ein Elektromagnet 190 und ein Kathodenhalter 191 werden von einem Paar magnetischer Polschuhe 192, 193 eingefaßt. Ein Paar von Anodenabschirmungen 194, 195 erstreckt sich parallel zu den Polschuhen 192, 193 und übergreift die Ränder der Kathode 196, deren wirksame Oberfläche 197 von der Rückseite 198 wegweist, an der die Magneteinrichtung angeordnet ist. Die Anodenabschirmungen 194, 195 sind miteinander über eine Verbindung 199 leitend verbunden. Statt direkt an die Kathode 1% anzuschließen, haben die Polschuhe 192, 193 einen Abstand von ihr und bilden Luftspalten 200, 201. Wenn die Kathode 196 aus einem magnetischen Material hergestellt ist, werden ihre Kanten polarisiert und Kraftlinien 202 werden wie in den anderen Ausführungsformen auftreten. Das Feld kann aber auch stark genug gemacht werden, damit die Kathode 196 magnetisch gesättigt wird.

Wenn isolierendes Material zerstäubt werden soll, wird eine Hochfrequenz in der Größenordnung von ungefähr 13,5MHz als Potential zwischen der Anode und der Kathode verwendet statt der Gleichspannung, wie sie in den anderen Ausführungsformen vorgesehen ist Der Aufbau, abgesehen von dem Luftspalt 201, 202, ist sonst der gleiche.

Die Fig. 13 zeigt eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung der Fig.9, wobei die durchgehende wirksame Oberfläche der Kathode mit dem sich darüber erhebenden tunnelartigen Bereich gezeigt ist der durch die wirksame Oberfläche der Kathode und das magnetische Kraftfeld begrenzt wird.

In der Fig. 14 ist perspektivisch der tunnelartige Bereich der in Fig. 16 dargestellten Vorrichtung abgebildet

Die Fig. 18 zeigt eine Abänderung, bei der. der tunnelartige Bereich 205 auf einer gekrümmten Fläche 206 liegt Durch diese Anordnung kann eine gewisse Fokussierungswirkung auf das zerstäubte Material ausgeübt werden. Die Fläche 206 kann natürlich auch konvex statt konkav sein, wobei man dann aber auf die Vorteile, die bei einer konkaven Krümmung auftreten.

verzichten muß.

Die F i g. 19 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung, die auch bei den Ausführungsformen der Fig. 1 — 18 erfolgen kann. Bei genauer Betrachtung der schon beschriebenen Ausführungsform erkennt man, daß ^r> Magnetpole an den Polschuhen unmittelbar anschließend an die Kathode vorhanden sind, aber auch an den davon abgewandten Enden der Polschuhe auftreten. Dadurch wird der Zerstäubungsvorgang nicht nachteilhaft beeinflußt, jedoch entsteht in einem Vakuumsystem in ein nutzloses Feld, welches als Ausgangspunkt für eine andere nachteilige Wirkung dienen kann. Dies vermeidet man dadurch, daß die äußeren Polschuhe Teile eines einzigen Stückes mit einem U-förmigen Querschnitt darstellen.

Die Fig. 19 entspricht in der Darstellung dem Querschnitt der Vorrichtung der F i g. 7 und ist mit gleichen Bezugsziffern ausgestattet. Jedoch sind die Polschuhe 138 und 140 einstückig mit einem Bügel 225 ausgebildet Durch den gekrümmten Bügel 225 wird vermieden, daß sich ein magnetisches Feld anderswo als an den Enden der magnetischen Teile bildet. Dieses Prinzip kann bei jeder der erfindungsgemäßen Ausführungsformen angewandt werden, ausgenommen bei der Ausführungsform der F i g. 20, bei der bereits ein Bügel vorhanden ist

Die Fig.20 zeigt einen Permanentmagneten 230, dessen Polschuhe 231 und 232 entgegengesetzte Polarität haben. Sie schließen an eine Kathode 233 an und bilden magnetische Kraftlinien 234 wie bei den anderen Ausführungsformen. Diese einstückige Art der magnetischen Ausgestaltung kann die oben erwähnten magnetischen Konfigurationen, die aus vielen Stücken bestehen, ersetzen.

Die Fig.20 zeigt, daß der Ausdruck »Polschuhe« nicht auf Teile beschränkt ist die von einem Magneten entfernt werden können, obgleich dies der Fall sein kann. Durch diesen Ausdruck soll allgemein eine Konstruktion definiert werden, die einen magnetischen Fluß in an die Kathode anschließende Bereiche führt, wo sich das erwünschte Magnetfeld entwickelt.

Die Polschuhe werden natürlich aus magnetisierbarem Material hergestellt Alle die beschriebenen Vorrichtungen haben Ancdeneinrichtungen, die genügend nahe angeordnet sind, um das notwendige elektrische Feld zu erzeugen. Die Anoden und Kathoden haben zum Anlegen des notwendigen Potentiales geeignete Anschlüsse.

Die Abmessungen der verschiedenen Ausführungsformen können ohne weiteres von einem Fachmann für Kathodenzerstäubungstechnik bestimmt werden. Viele Abmessungen werden von der erwünschten Beschichtungsrate oder den erwünschten Außendimensionen der Vorrichtung abhängen. Die Vorrichtung der F i g. 1 ist im wesentlichen maBstabsgetreu dargestellt, wobei der Durchmesser der wirksamen Oberfläche 56 ungefähr 75 mm beträgt. Das Magnetfeld hat eine Flußdichte von ungefähr 0,1 T und das Gleichspannungspotential beträgt ungefähr 600 Volt Der Druck liegt bei ungefähr 0,67 bis 133 Pa in der evakuierbaren Kammer.

Durch die Polschuhe sind das Feld und der Erosionsbereich örtlich genau festgelegt Teile der Magneteinrichtung weiterer, ähnlicher Zerstäubungsgeräte, die in der gleichen Kammer angeordnet sein können, oder andere TeBe des gleichen Systems können im wesentlichen nicht in der Weise wechselwirken, daß eine Streuerosion bewirkt würde. Die Feldlinien, die beim Zerstäuben verwendet werden, werden durch Streufelder kaum beeinflußt.

Bei der vorliegenden Ausbildung können geladene Teilchen nicht aus dem Feld in Richtung auf die Grundplatte entkommen. Sie sind im tunnelartigen Bereich durch das Magnetfeld zurückgehalten und können nicht auf den zu beschichtenden Gegenstand auftreffen oder auf ihn wirken. Die Teilchen, die über den sichtbaren Glimmbereich hinaus entkommen, sind neutral und stellen das zerstäubte Material dar. Die Grundplatte kann irgendwo in der Kammer angeordnet werden, was Bauformen, die aus anderen Gründen erwünscht sind, sowie eine erleichterte Bedienung möglich macht. Wenn Vorrichtungen etwa nach Fig. 5—9, 13—16 und 18—20 verwendet werden, bei denen die wirksame Oberfläche der Kathode nur nach einer Seite geöffnet ist, besteht die Möglichkeit, einen großen Teil von teurem Material zu sparen, da eine solche Kathode eine Richtungswirkung hat Es gibt dann einen größeren Richtungsbereich, in dem kein Material zerstäubt wird.

Ebenso ist es mehr oder minder gleichgültig, wo die Anode angeordnet wird. Sie muß lediglich ausreichend nahe an der Kathode angeordnet sein. Durch die Möglichkeit, sie irgendwo anzuordnen, besteht eine beträchtliche Freiheit bezüglich der Anordnung der zu beschichtenden Grundplatte.

Bei der Verwendung einer gemäß Fig. 1—9, 12—14 und 18—20 konkav gekrümmten Bauweise der wirksamen Oberfläche der Kathode wird das während des Betriebes erzeugte Licht dazu verwendet durch Photoanregung eine Elektronenemission zu bewirken. Die Verwendung einer flachen oder konvex gekrümmten Fläche gemäß Fig. 10 oder 15 hat einen geringeren Wirkungsgrad bezüglich der Verwendung des Glimmlichtes, erlaubt aber, in anderer Beziehung bei der Konstruktion Kompromisse einzugehen.

Wenn eine konkave Kathode erhitzt wird, dehnt sich ihr Material aus und wird stärker gegen den gekühlten Kathodenhalter gedrückt welcher zum Abführen der Wärme dient. Je stärker sich die Kathode erwärmt, um so enger drückt sie sich gegen die die Wärme ableitende Fläche des Kathodenhalters und wird dadurch gekühlt Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung und der elektrischen Leitung wird dadurch erhöht

Im Betrieb der Vorrichtung der Fig. 1 wird man ein ringförmiges Glimmen über den gesamten Umfang der wirksamen Oberfläche der Kathode erkennen. Die Erosion wird im wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Umfang erfolgen. Das gleiche trifft auf die Arbeitsweise der anderen Ausführungsformen zu, bei denen die Kathode eine geschlossene Bahn bildet da dort im tunnelartigen Bereich eine durchgehende Bahn für die geladenen Teilchen ohne Anfang oder Ende besteht Bei der Vorrichtung gemäß der F i g. 6, die eine rein geradlinige Vorrichtung ist wird man dagegen feststellen, daß in der Nähe eines Endes im wesentlichen keine Erosion auftritt diese vielmehr längs des anderen Endes zunimmt Wenn es bei diesem Beispiel erwünscht ist, den Strahl geladener Teilchen abzublocken, kann ein isolierendes, dielektrisches Material zu diesem Zweck in seine Bahn eingebracht werden. Bei den Vorrichtungen mit einem in sich zurücklaufenden tunnelartigen Bereich gemäß Fig. 1—4, 7—9,12—14,16, 18 und 19 erstreckt sich das Glimmen über die ganze Länge des Bereichs.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kathodenzerstäubungsgerät mit einer auf ihrer wirksamen Oberfläche das zu zerstäubende Material tragenden Kathode, mit einer Magneteinrichtung an einer der wirksamen Oberfläche der Kathode abgewandten Seite zur Erzeugung von magnetischen Kraftlinien, von denen wenigstens einige aus der wirksamen Oberfläche der Kathode aus- und an einer von der Austrittsstelle entfernten Stelle wieder ι ο in sie eintreten und hierdurch, zusammen mit der wirksamen Oberfläche der Kathode, einen jeweils abgeschlossenen Bereich in der Ebene der betreffenden Kraftlinie bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der wirksamen Oberfläche (56; 104a; 118; 149; 174; 182) der Kathode (55; 104; 117; 135; 109: 181; 216; 233) aus- und in sie wieder eintretenden Kraftlinien (75; 130; 147,148; 172; 177; 183; 219; 234) zwischen der Aus- und Wiedereintrittsstelle (77; 132; 222 bzw. 76; 131; 221) bogenförmig verlaufen und von magnetischen Polschuhen (69,70; 121,122; 138,139,140; 168,169; 211,212; 231, 232) der Magneteinrichtung (123; 145, 146) ausgehen, von denen wenigstens einer länglich ausgebildet ist, so daß ein tunnelartiger Bereich (152, 2·; 153; 173) gegeben ist, in dem geladene Teilchen im wesentlichen gehalten werden und längs welchem sie sich bewegen.

2. Kathodenzerstäubungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (55; 117) ta mit ihrer Rückseite (58; 119) auf einem elektrisch leitenden Kathodenhalter (59,120) aufliegt.

3. Kathodenzerstäubungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenhalter (120; 141, 142; 214) und die ihn einfassenden « Polschuhe (121, 122; 138, 139, 140; 211, 212) von einer Halterung (124,125; 218) zusammengeklemmt sind, die Anschläge (127,128; 217) aufweist, an denen sich überstehende Ränder der Kathode (117, 216) abstützen. .

4. Kathodenzerstäubungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Polschuhe (121, 122; 138, 139, 140; 211,212) an der Rückseite (58,119) der Kathode (55, 117) angeordnet sind und ihre magnetischen Kraftlinien im wesentlichen durch die Kathode hindurchdringen.

5. Kathodenzerstäubungsgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung (42, 115, 144, 215) für den Kathodenhalter (59, 120, 141, 142, 214) vorgesehen ist.

6. Kathodenzerstäubungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der tunnelartige Bereich (156, 159) in sich selbst geschlossen ist.

7. Kathodenzerstäubungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung einen mittleren Polschuh (139, 211) und einen ihn umgebenden äußeren Polschuh (138, 140; 212) so aufweist.

8. Kathodenzerstäubungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Polschuh (138,140) über einen Bügel (225) geschlossen ist, um ein magnetisches Feld außerhalb der Kathode zu unterdrücken.

Die Erfindung betrifft ein Kathodenzerstäubungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Kathodenzerstäubungsgerät dieser Art ist z.B. aus der US-PS 37 28 246 bekannt. Bei diesem bekannten Gerät erzeugt eine außen um das Gerät gelegte Magnetspule ein axiales Magnetfeld, das im Bereich der die Kathodenzerstäubung bewirkenden Entladung weitgehend geradlinige, parallel zueinander liegende magnetische Kraftlinien aufweist Ein Ziel dieser bekannten Vorrichtung ist es unter anderem, den Fluß von zerstäubtem Material wirkungsvoller zu nutzen. Der Verlauf der Kraftlinien ist auf die Oberfläche der Anode so abgestimmt, daß die Oberfläche der Anode von den magnetischen Kraftlinien auf keinen Fall geschnitten wird. Eine zum Teil tonnenförmig hohle und mit ebenen Endplatten versehene Kathode umgibt die Anode und liegt wie diese im Bereich des weitgehend homogenen Axialfeldes der Magnetspule. So treten zwar magnetische Kraftlinien aus der wirksamen Oberfläche der Kathode aus und an einer von der Austrittsstelle entfernten Stelle wieder in sie ein, jedoch hindert der hieraus bekannte Kraftlinienverlauf geladene Teilchen nicht, in einen größeren Abstand zur Kathodenoberfläche zu gelangen.

Durch die DE-OS 22 43 153 ist ein Kathodenzerstäubungsgerät bekannt, bei dem ebenfalls durch Magnetspulen axiale Felder mit erzeugt werden, deren Kraftlinien wohl die wirksame Oberfläche der Kathode je einmal schneiden, von dort jedoch weitgehend senkrecht zur Oberfläche der zu beschichtenden Platte führen. Durch diese bekannte Anordnung sollen die Elektronen in dem Bereich, in dem die Kathodenzerstäubung stattfindet, konzentriert werden, um dadurch die Effektivität der Kathodenzerstäubung zu erhöhen, jedoch kann dort eine Konzentration von geladenen Teilchen nur senkrecht zur Spulenachse, in Richtung auf diese zu, erfolgen. Eine Rückhaltung in Richtung auf die Kathodenoberfläche ist damit nicht möglich, so daß geladene Teilchen in einen größeren Abstand zur Kathodenoberfläche gelangen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kathodenzerstäubungsgerät der eingangs genannten Art eine wirkungsvolle Rückhaltung geladener Teilchen nahe der Kathodenoberfläche und damit einen hohen Wirkungsgrad der Zerstäubung wie auch eine verbesserte Qualität aus dem zerstäubten Material niedergeschlagener Schichten zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst.

Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise, daß durch den bogenförmigen Verlauf der Kraftlinien über der wirksamen Oberfläche der Kathode sowie durch die Tatsache, daß Polschuhe den Kraftlinien eine Divergenz erteilen, eine zurückhaltende Wirkung auf geladene Teilchen in Richtung auf die Kathodenoberfläche in einem bisher nicht möglichen Ausmaß erfolgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel.

Fig.2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1.

F i g. 3 ist ein Axialschnitt durch eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1.

Fig.4 ist ein Axialschnitt durch eine weitere Abwandlung der Ausführungsform der F i g. 1.

Fig.5 ist ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform längs der Linie 5-5 der F i g. 6 oder 8.